高速平磨氧化鋯磨削力與表面質(zhì)量的研究

杜添賀，馬廉潔,2，孫立業(yè)，賈婧，李紅雙

(1.東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110819;2.東北大學(xué)秦皇島分校控制工程學(xué)院，河北秦皇島 066004)

0 前言

氧化鋯陶瓷具有高強(qiáng)度、耐磨損、耐腐蝕等優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用于軍工、航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域[1-2]。氧化鋯陶瓷屬于一種不易獲得高表面質(zhì)量的硬脆難加工材料，在實(shí)際加工中容易出現(xiàn)裂紋、崩碎、斷裂等現(xiàn)象。工程陶瓷最常用的加工方法之一是磨削加工，但由于磨削中磨削力較大時(shí)，不僅對(duì)于機(jī)床主軸的精度、砂輪的磨損都會(huì)存在一定的影響，而且也會(huì)對(duì)材料的表面造成一定的損傷。

目前，工程陶瓷在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，針對(duì)工程陶瓷的磨削力和表面質(zhì)量，近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者也展開了相關(guān)研究。姚遠(yuǎn)和張高峰[3]通過開展氧化鋁的磨削試驗(yàn)，對(duì)多個(gè)不同應(yīng)力載荷下的磨削力、表面質(zhì)量進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)在同等磨削深度下，隨著應(yīng)力載荷的不斷增加，磨削力增大，磨削加工后的工件表面質(zhì)量呈現(xiàn)變好的趨勢(shì)。吳玉厚等[4]探究了在磨削過程中磨削力的變化對(duì)氮化硅陶瓷表面質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)磨削力與單顆磨粒去除材料的體積相關(guān)，切向磨削力和比磨削能在一定范圍內(nèi)易獲得較好的表面質(zhì)量。屈碩碩等[5]探究了單向碳纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料磨削加工后的表面質(zhì)量，采用正交試驗(yàn)，通過極差分析獲得了不同工藝參數(shù)影響主次順序，結(jié)果表明：磨削深度、砂輪線速度和進(jìn)給速度這3個(gè)工藝參數(shù)對(duì)表面質(zhì)量的影響依次遞減。李頌華等[6]通過探究磨削加工后的HIPSN陶瓷亞表面裂紋,分析了磨削加工過程中產(chǎn)生裂紋的原因以及去除機(jī)制,得出合理控制磨削過程中的裂紋能夠提高陶瓷零件的可靠性。MA等[7]研究了磨削深度、工作臺(tái)進(jìn)給速度和砂輪速度對(duì)表面粗糙度的影響，基于Snoyes經(jīng)驗(yàn)公式提出一種改進(jìn)的表面粗糙度模型。LIU等[8]分析了磨粒尺寸等參數(shù)對(duì)磨削力、表面質(zhì)量的影響，研究了未變形切屑厚度和等效切屑厚度這2種方法對(duì)加工后表面質(zhì)量的影響，通過優(yōu)化工藝參數(shù)，提高了氮化硅的表面質(zhì)量和加工效率。SUN等[9]為了探究氮化硅陶瓷在高速磨削下的去除機(jī)制，分析在單顆磨粒、多顆磨粒等不同的磨削情況下工藝參數(shù)對(duì)表面形貌的影響。

以上研究表明，磨削力對(duì)陶瓷的加工生產(chǎn)具有重要的影響，但對(duì)于氧化鋯陶瓷的試驗(yàn)研究主要集中在工藝參數(shù)對(duì)磨削力、粗糙度的影響，關(guān)于磨削力對(duì)表面質(zhì)量影響的研究較少。本文作者利用樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪對(duì)氧化鋯陶瓷進(jìn)行加工試驗(yàn)，構(gòu)建各個(gè)參量之間的影響關(guān)系，通過分析試驗(yàn)結(jié)果，研究磨削力對(duì)表面粗糙度、表面形貌的影響。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試件

以氧化鋯陶瓷為試驗(yàn)試件，氧化鋯陶瓷片直徑25 mm、厚度3 mm。材料的性能參數(shù)如表1所示。

表1 氧化鋯陶瓷材料性能參數(shù)

1.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在XD-40A數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行，在干磨條件下采用砂輪旋轉(zhuǎn)方向與工件進(jìn)給方向相反的方式進(jìn)行加工。砂輪采用樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪，綜合性能指標(biāo)如表2所示。

表2 金剛石砂輪綜合性能參數(shù)

采用瑞士Kistler公司的六分量測(cè)力儀對(duì)磨削力進(jìn)行測(cè)量,可實(shí)時(shí)測(cè)量空間內(nèi)3個(gè)方向的磨削力,并將磨削過程中采集到的磨削力信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上,利用相關(guān)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用三維表面形貌儀對(duì)粗糙度進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 磨削試驗(yàn)裝置

分別以砂輪轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和磨削深度為單因素變量展開試驗(yàn)，共進(jìn)行15組單因素試驗(yàn)，每組試驗(yàn)進(jìn)行3次，取平均值作為最后結(jié)果。表3所示為試驗(yàn)的工藝參數(shù)和磨削力、粗糙度測(cè)量結(jié)果?？梢钥吹剑悍ㄏ蚰ハ髁n最大值為91.9 N、最小值為8.4 N，切向磨削力Ft最大值為12.3 N、最小值為1.8 N；材料表面粗糙度為0.583～0.995 μm。

表3 單因素試驗(yàn)工藝參數(shù)、磨削力、粗糙度

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 工藝參數(shù)與磨削力的關(guān)系

在不同的工藝參數(shù)下測(cè)量獲得法向磨削力和切向磨削力，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和分析得出如圖2所示的關(guān)系示意圖?？梢钥闯觯耗ハ髁εc砂輪線速度成反比關(guān)系,與工件進(jìn)給速度和磨削深度成正比關(guān)系。而加工過程中最大未變形切削厚度的改變對(duì)這種情況的產(chǎn)生有直接影響。最大未變形切削厚度計(jì)算公式[10]：

圖2 磨削力與磨削參數(shù)的關(guān)系

(1)

式中：Nd為加工接觸弧長(zhǎng)范圍內(nèi)參與磨削的有效磨粒數(shù)；θ為磨粒錐角角度；vs為砂輪線速度；vw為工件進(jìn)給速度；ap為磨削深度；ds為砂輪直徑。

在以砂輪為單因素的試驗(yàn)中，砂輪線速度增大，使未變形切削厚度降低。由圖2(a)可知：隨著砂輪轉(zhuǎn)速的提高，磨削力呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)速的提高也有效地增加了單位時(shí)間內(nèi)通過加工接觸區(qū)的磨粒數(shù)，并且單個(gè)磨粒所承受的載荷變小，從而導(dǎo)致磨削力呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。

由圖2(b)可以看出：隨著工件進(jìn)給速度的增大，在進(jìn)給速度4 000～5 000 mm/min的過程中，磨削力出現(xiàn)了陡增現(xiàn)象，說明氧化鋯陶瓷的去除方式逐漸由塑性去除轉(zhuǎn)變成脆性去除。由式(1)可知隨著進(jìn)給速度變大，最大未變形切削厚度不斷增加，逐步達(dá)到材料的臨界切削深度，從而導(dǎo)致磨削力變大，氧化鋯陶瓷去除方式以剝落、斷裂的脆性去除為主。

由圖2(c)可知：隨著磨削深度的增加，磨削力隨之增大。這是由于磨削深度的增加，使加工過程中磨粒與工件之間的接觸弧長(zhǎng)和時(shí)間都隨之增加，參與磨削的磨粒數(shù)量增多，而磨削力的計(jì)算是所有參與磨削的磨粒數(shù)所受載荷之和，因此磨削力呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。

2.2 磨削力與表面粗糙度的關(guān)系

氧化鋯陶瓷磨削試驗(yàn)中材料的去除主要是由于磨粒劃過陶瓷表面時(shí)，徑向載荷大于材料的極限應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋向深處擴(kuò)展，產(chǎn)生徑向裂紋。而在磨粒加工結(jié)束后的卸載過程中，彈性區(qū)域由于載荷減小，恢復(fù)過程中產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過材料的極限應(yīng)力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生橫向裂紋。徑向裂紋會(huì)影響材料的斷裂韌性，而橫向裂紋如圖3所示平行于表面，會(huì)使材料發(fā)生晶粒的剝落和去除。在實(shí)際加工過程中，氧化鋯主要以延性、脆性去除為主[10-11]。

圖3 材料壓痕裂紋示意

表面粗糙度是作為材料加工后研究表面質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。不同工藝參數(shù)下法向磨削力、切向磨削力與表面粗糙度的關(guān)系曲線如圖4所示。由圖(a)可以看出：砂輪線速度逐漸增加時(shí)，粗糙度數(shù)值隨著法向、切向磨削力的減小，由0.869 μm降低到了0.724 μm，表面質(zhì)量變好。由圖(b)(c)可知：在分別以工件進(jìn)給速度和磨削深度為單因素變量時(shí)，在工藝參數(shù)增大的過程中，隨法向和切向磨削力的增大，材料的表面粗糙度也分別由0.58、0.788 μm增大到0.849、0.861 μm。這是由于法向磨削力主要影響徑向裂紋，降低了材料的斷裂韌性，切向磨削力影響橫向裂紋的延展，導(dǎo)致氧化鋯陶瓷表面出現(xiàn)凹坑、剝落的現(xiàn)象，脆性去除占比升高，粗糙度變大；在磨削深度由25 μm到30 μm的過程中，表面粗糙度出現(xiàn)了下降趨勢(shì)，這是由于磨粒與工件接觸的時(shí)間變長(zhǎng)，磨削時(shí)產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)散出，接觸區(qū)溫度升高，導(dǎo)致氧化鋯陶瓷的斷裂韌性有所降低，塑性去除占比提高，粗糙度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，表面質(zhì)量提高。

圖4 不同工藝參數(shù)下磨削力與粗糙度的關(guān)系

綜合分析氧化鋯陶瓷磨削力和表面粗糙度與去除方式之間的關(guān)系，隨著磨削力的增大，粗糙度數(shù)值呈現(xiàn)變大趨勢(shì)，去除方式逐漸由塑性去除向脆性去除變化，表面質(zhì)量變差。因此，為確保加工后的材料表面質(zhì)量達(dá)到一個(gè)較好的情況，可采用較高的砂輪線速度和較小的工件進(jìn)給速度、磨削深度。

2.3 表面形貌

通過激光共聚焦顯微鏡觀察加工后的氧化鋯材料表面形貌。圖5所示為不同磨削力下所對(duì)應(yīng)的表面形貌?？芍耗ハ髁?6.8、22.2 N時(shí)，材料表面塑性去除占比較高，表面存在少量的裂紋特征；磨削力為45.9 N時(shí)，材料表面出現(xiàn)顯著的脆性斷裂帶，脆性去除占比逐步增大；磨削力為51.9 N時(shí)，材料表面出現(xiàn)較多的凹坑和材料剝落特征，這是因?yàn)槟ハ髁^大時(shí)，會(huì)致使裂紋增加和擴(kuò)大，當(dāng)裂紋逐漸疊加交匯延伸到表面時(shí)，就會(huì)引起氧化鋯材料的去除，因此磨削力在逐漸增大的過程中，會(huì)導(dǎo)致脆性斷裂去除的狀況出現(xiàn)。圖(e)和圖(f)對(duì)應(yīng)的磨削力分別是80.4、92.2 N，由于磨削深度增加，表面存在切屑粘連情況，磨粒與工件的接觸弧長(zhǎng)和時(shí)間變長(zhǎng)，導(dǎo)致切屑不能及時(shí)順利排出，粘連在材料表面。因而，磨削力過大時(shí)，氧化鋯陶瓷材料的表面質(zhì)量會(huì)呈現(xiàn)出惡化的趨勢(shì)。

圖5 不同磨削力F時(shí)表面形貌圖

3 結(jié)論

(1)在氧化鋯陶瓷磨削加工過程中，法向、切向磨削力隨著工件進(jìn)給速度、磨削深度的升高而增大，隨砂輪轉(zhuǎn)速的升高呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。

(2)當(dāng)磨削力增大時(shí)，粗糙度也呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，氧化鋯陶瓷表面質(zhì)量變差，表面出現(xiàn)脆性斷裂、凹坑等現(xiàn)象，材料去除方式由塑性去除向脆性去除轉(zhuǎn)變。

(3)通過分析數(shù)據(jù)和觀察表面形貌，得到磨削力為15～40 N時(shí)，表面質(zhì)量較好，磨削深度大于25 μm時(shí)，表面易出現(xiàn)切屑粘連現(xiàn)象。因此，在氧化鋯高速磨削中，可采用較高的砂輪轉(zhuǎn)速、較小的進(jìn)給速度和磨削深度來實(shí)現(xiàn)高效磨削并保證加工的表面質(zhì)量。